2.2 部件的選擇和系統(tǒng)分區(qū)

設(shè)計者對運行軟件的處理器、總線的數(shù)目和采用仲裁協(xié)議的類型通常有一個總體的思路，可以初步?jīng)Q定系統(tǒng)包含部件的數(shù)目和類型。最簡單的結(jié)構(gòu)就是各種硬件加速器：微處理器、ASIC和通過總線連接的主存。對于更加復雜的系統(tǒng)則需要不同種類的處理器、多個ASIC、各種總線和多種存儲器。

一旦部件的數(shù)目和類型確定下來，進程就要用ASIC或運行在專用部件上的軟件實現(xiàn)。虛擬通道要和總線緊密連接，多個過程能用同一個處理器開且多個通道也可以共享同一總線。根據(jù)ASIC的面積和處理器的價格，在保持性能不變的情況下，一個典型分區(qū)的目標就是使系統(tǒng)代價最小。在最壞情況下，所有的過程在單一的ASIC上實現(xiàn)；而在理想情況下，處理器在不需要額外硬件的情況下完成所有的工作。

低功耗分區(qū)的代價函數(shù)在系統(tǒng)上是硬件、軟件和通信過程功耗估計的總和。在分區(qū)過程中，在滿足給定速度面積條件下，這個函數(shù)應(yīng)該達到最小值。

2.3 功耗估計

正如通信過程中的功耗估計一樣，對于每一個任務(wù)不管用硬件還是軟件實現(xiàn)，功耗估計都是非常重要。

軟件功耗和所用的處理器是密切相關(guān)的。通常它需要每一條指令或指令類的準確信息。功耗估計可以在不同準確度的級別上進行；僅用軟件代碼長度并假定所有指令的功耗相等；考慮指令的分類和指令序列；通過使用處理器的硬件模型和硬件模擬器來獲得指令序列的功耗估計。對每一個處理器，根據(jù)規(guī)定的功耗特性可以采用不同的估計方法。例如，對于處理器P1僅用代碼長度估計，可能要比P2用硬件模型估計得到更準確的結(jié)果。
硬件功耗估計可以在行為級到門級的不同級別上進行。在較低級別上的估計比在較高級別上的估計要準確，但更費時。由于同一個任務(wù)用軟件實現(xiàn)比用硬件實現(xiàn)更耗能，因此對硬件功耗估計也不必太精確，在較高級別上的估計就足夠了。硬件估計包括數(shù)據(jù)路徑、控制部件和內(nèi)部互連上的功耗。由于功耗依賴于被處理的數(shù)據(jù)，因此利用輸入到硬件里的數(shù)據(jù)與信號相關(guān)的信息能獲得更好的估計結(jié)果。

通信過程中的功耗與互連的類型密切相關(guān)。它不僅依賴于各部件連接的情況，同時與通信的帶寬和編碼類型有關(guān)。

3 實現(xiàn)方法

迄今為止，在低功耗協(xié)同設(shè)計領(lǐng)域，包含所有常用結(jié)構(gòu)的研究報導不多，而且大部分都是針對比較簡單且結(jié)果固定的一個ASIC和一個處理器的情況。許多低功耗綜合系統(tǒng)都是從最初的協(xié)同設(shè)計環(huán)境中發(fā)展而來的。在高級綜合中，模塊庫是可用的，并且每一個模塊和操作數(shù)據(jù)都是研究的。本部分所用的方法和高級綜合類似。

3.1 必需的數(shù)據(jù)

模塊庫由處理器（DSP、微控制器、通用CPU）和物理通信通道組成。對每一個處理器，我們假定以下數(shù)據(jù)是可用的：

*參考電壓Vref和參考時鐘頻率fref；
*對于給定Vref和fref，在處理器上運行任務(wù)I所消耗的率Pi；
*處理器上任務(wù)i的執(zhí)行時間ti。

以上所涉及的是系統(tǒng)的軟件部分。在硬件上實現(xiàn)一個任務(wù)沒有特別的方法?？焖俚挠布O(shè)計給出了下限，系統(tǒng)級規(guī)范對執(zhí)行時間的要求則確定了上限。在供電電壓不變的情況下，快速電路通常需要更多的晶體管，產(chǎn)生了更大的開關(guān)電容，從而消耗更多的能量。我們假定一個任務(wù)在硬件實現(xiàn)上表示為兩個極端的設(shè)計：其中一個速度最快，消耗能量最多；另一個最慢，但消耗能量最少，如圖3所示。

3.2 綜合過程

在一個常用的高級綜合里，通常需要完成分配、調(diào)度和任務(wù)的綁定，在協(xié)同設(shè)計過程中也可采用相同的方法。分別將影響每一個執(zhí)行任務(wù)的功耗，高度將決定總的執(zhí)行時間，綁定則影響通信過程。

在這里，要注意切耗和能量的區(qū)別?？紤]一個任務(wù)以不同的頻率f1和f2在一個處理上運行，相應(yīng)的時鐘周期分別為T1和T2，所需的周期數(shù)都是N，如圖4。由于要做同樣的計算，完成該任務(wù)所需的能量與頻率無關(guān)，而功耗卻隨時鐘頻率增加。另一方面，式（2）電路的延遲（Delay）與供電電壓成反比，這里考慮到門限電壓VT足夠小：

聯(lián)合式（1）和（2）可以得到式（3）。對于不同的執(zhí)行時間，式（3）給出了新功耗Pnew和原功耗Pi之間的關(guān)系：

式（3）表示：在一個給定的處理器上，對于一個特定的任務(wù)，如果允許較長的執(zhí)行時間，通過降低電壓可以在很大程度上降低功耗。因此，一個比較好的方法是讓處理器盡可能地一直處于工作的狀態(tài)，因為增加執(zhí)行時間比處理器空閑時關(guān)掉它更有利。
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4 實驗結(jié)果

從一個現(xiàn)有的系統(tǒng)綜合環(huán)境出發(fā)，通過約束邏輯編程方法，專家們開發(fā)了一個增強型環(huán)境來實現(xiàn)系統(tǒng)綜合。在我們的例子中，任務(wù)圖里有九個任務(wù)和八個過程。資源庫里包括三種類型的處理器，其代價是{4,5,2}，平均相對功耗是{4,6,5}，資源庫還包括一條總線。結(jié)果顯示，不同的任務(wù)有不同的執(zhí)行時間，從而產(chǎn)生了不同的功耗。圖5繪出了這個例子的設(shè)計空間，柱狀體代表給定條件下具有最小功耗的設(shè)計。從圖5中可以看出：如果最大代價和臨界值條件放寬一些，功耗就可以降低。
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結(jié)語

在進行系統(tǒng)設(shè)計時，如果在設(shè)計階段就盡可能地考慮功耗，就可以明顯地降低整個系統(tǒng)的功耗。上面實驗結(jié)果也說明了在較高級別上重視功耗的重要性，這對設(shè)計正在廣泛使用的嵌入式系統(tǒng)具有非常重要的指導意義。